Повышение надежности связи методом антенного разнообразия

Введение

Метод повышения надежности связи с использованием антенного разнообразия

Антенное разнообразие, также известное как пространственное разнообразие, – это одна из нескольких схем беспроводного разнообразия, использующая две или более антенн для повышения качества и надежности беспроводной связи. Часто, особенно в городских и закрытых помещениях, прямой видимости (LOS) между передатчиком и приемником нет. Вместо этого сигнал отражается по нескольким путям, прежде чем достигнет приемника. Каждый из этих отражений может вносить сдвиги фаз, временные задержки, затухания и искажения, которые могут деструктивно интерферировать друг с другом на входе приемной антенны. Антенное разнообразие особенно эффективно для смягчения подобных многолучевых помех. Это связано с тем, что несколько антенн предоставляют приемнику несколько вариантов приема одного и того же сигнала. Каждая антенна будет подвержена различным помехам. Таким образом, если одна антенна испытывает глубокое затухание сигнала, вероятно, что другая имеет достаточный уровень сигнала. В совокупности такая система обеспечивает устойчивую связь. Хотя это в основном используется в приемных системах (приемное разнообразие), аналогичный подход также оказался полезным и для передающих систем (передающее разнообразие). По своей сути, схема антенного разнообразия требует дополнительного оборудования и интеграции по сравнению с системой с одной антенной, но благодаря общности сигнальных путей значительная часть схемотехники может быть использована совместно. Кроме того, обработка множества сигналов предъявляет повышенные требования к вычислительной мощности приемника, что может привести к более жестким требованиям к конструкции. Однако, как правило, надежность сигнала является приоритетной задачей, и использование нескольких антенн – эффективный способ снизить количество обрывов связи и потерь соединений.

Антенные технологии

Антенное разнообразие может быть реализовано несколькими способами. В зависимости от условий окружающей среды и ожидаемых помех, разработчики могут использовать один или несколько из этих методов для повышения качества сигнала. Фактически, для дальнейшего повышения надежности часто применяются несколько методов одновременно. Пространственное разнообразие использует несколько антенн, обычно с одинаковыми характеристиками, физически разделенных друг от друга. В зависимости от ожидаемого угла прихода сигнала, иногда достаточно расстояния порядка длины волны, а в других случаях требуются значительно большие расстояния. Например, клеточная структура или секторизация являются схемами пространственного разнообразия, в которых антенны или базовые станции могут быть расположены на расстоянии нескольких миль друг от друга. Это особенно полезно для индустрии мобильной связи, поскольку позволяет нескольким пользователям совместно использовать ограниченный частотный спектр и избегать взаимных помех. Разнообразие диаграмм направленности состоит из двух или более антенн, расположенных рядом, с различными диаграммами направленности. Этот тип разнообразия использует направленные антенны, обычно разделенные некоторым (часто небольшим) расстоянием. В совокупности они способны различать большую часть углового пространства и обеспечивать более высокий коэффициент усиления по сравнению с одной всенаправленной антенной. Поляризационное разнообразие объединяет пары антенн с ортогональной поляризацией (например, горизонтальной/вертикальной, ± 45° наклонной, левой/правой круговой поляризацией и т.д.). Отраженные сигналы могут испытывать изменения поляризации в зависимости от среды распространения. Разность поляризации в 90° может привести к ослаблению сигнала до 34 дБ. Комбинируя две комплементарные поляризации, эта схема позволяет защитить систему от рассогласования поляризации, которое в противном случае привело бы к затуханию сигнала. Кроме того, такое разнообразие оказалось ценным на радио- и мобильных базовых станциях связи, поскольку оно менее чувствительно к практически случайной ориентации передающих антенн. Разнообразие приема/передачи использует две отдельные, расположенные рядом антенны для функций передачи и приема. Такая конфигурация устраняет необходимость в дуплексере и может защитить чувствительные компоненты приемника от высокой мощности, используемой при передаче. Адаптивные антенные решетки могут представлять собой одну антенну с активными элементами или решетку из аналогичных антенн, способных изменять их комбинированную диаграмму направленности в различных условиях. Активные электронно-сканируемые антенные решетки (AESA) управляют фазовращателями и аттенюаторами на лицевой стороне каждого излучающего элемента для обеспечения почти мгновенного сканирования, а также управления диаграммой направленности и поляризацией. Это особенно полезно для радиолокационных приложений, поскольку позволяет одной антенне переключаться между различными режимами, такими как поиск, сопровождение, картографирование и противодействие помехам.

Antenna diversity can be realized in several ways. Depending on the environment and the expected interference, designers can employ one or more of these methods to improve signal quality. In fact multiple methods are frequently used to further increase reliability. Spatial diversity employs multiple antennas, usually with the same characteristics, that are physically separated from one another. Depending upon the expected incidence of the incoming signal, sometimes a space on the order of a wavelength is sufficient. Other times much larger distances are needed. Cellularization or sectorization, for example, is a spatial diversity scheme that can have antennas or base stations miles apart. This is especially beneficial for the mobile communication industry since it allows multiple users to share a limited communication spectrum and avoid co channel interference. Pattern diversity consists of two or more co located antennas with different radiation patterns. This type of diversity makes use of directional antennas that are usually physically separated by some (often short) distance. Collectively they are capable of discriminating a large portion of angle space and can provide a higher gain versus a single omnidirectional radiator. Polarization diversity combines pairs of antennas with orthogonal polarizations (i. e. horizontal/vertical, ± slant 45°, Left hand/Right hand circular polarization etc.). Reflected signals can undergo polarization changes depending on the medium through which they are traveling. A polarization difference of 90° will result in an attenuation factor of up to 34 dB in signal strength. By pairing two complementary polarizations, this scheme can immunize a system from polarization mismatches that would otherwise cause signal fade. Additionally, such diversity has proven valuable at radio and mobile communication base stations since it is less susceptible to the near random orientations of transmitting antennas. Transmit/Receive diversity uses two separate, colocated antennas for transmit and receive functions. Such a configuration eliminates the need for a duplexer and can protect sensitive receiver components from the high power used in transmit. Adaptive arrays can be a single antenna with active elements or an array of similar antennas with ability to change their combined radiation pattern as different conditions persist. Active electronically scanned arrays (AESAs) manipulate phase shifters and attenuators at the face of each radiating site to provide a near instantaneous scan ability as well as pattern and polarization control. This is especially beneficial for radar applications since it affords a single antenna the ability to switch among several different modes such as searching, tracking, mapping and jamming countermeasures.

Методы обработки

Все вышеуказанные методы требуют некоторой постобработки для восстановления желаемого сообщения. Среди этих методов:

Переключение: В приемнике с переключением сигнал от одной антенны подается на приемник до тех пор, пока качество этого сигнала остается выше заданного порогового значения. Если и когда сигнал ухудшается, включается другая антенна. Переключение – это самый простой и наименее энергозатратный из методов обработки антенного разнообразия, но могут возникать периоды затухания и рассинхронизации в момент ухудшения качества сигнала одной антенны и установления связи с другой. Выбор: Как и при переключении, обработка выбором представляет приемнику сигнал только одной антенны в любой момент времени. Однако антенна выбирается на основе наилучшего отношения сигнал/шум (SNR) среди принятых сигналов. Это требует предварительного измерения и установления соединений со всеми антеннами (по крайней мере, во время измерения SNR), что приводит к более высоким требованиям к энергопотреблению. Сам процесс выбора может происходить между принятыми пакетами информации, обеспечивая максимально возможное поддержание единого антенного соединения. При необходимости переключение может выполняться для каждого пакета. Комбинирование: При комбинировании все антенны постоянно поддерживают установленные соединения. Сигналы затем объединяются и передаются приемнику. В зависимости от сложности системы, сигналы могут быть просто суммированы (равноусиленное комбинирование) или взвешены и когерентно суммированы (комбинирование с максимальным отношением). Такая система обеспечивает наибольшую устойчивость к затуханию, но поскольку все приемные пути должны оставаться активными, она также потребляет больше всего энергии. Динамическое управление: Приемники с динамическим управлением способны выбирать из вышеуказанных схем обработки в зависимости от ситуации. Хотя они значительно сложнее, они оптимизируют баланс между энергопотреблением и производительностью. Переходы между режимами и/или антенными соединениями сигнализируются изменением воспринимаемого качества связи. В условиях слабого затухания приемник может отказаться от использования антенного разнообразия и использовать сигнал от одной антенны. По мере ухудшения условий приемник может переходить на более надежные, но энергоемкие режимы, описанные выше.

Switching: In a switching receiver, the signal from only one antenna is fed to the receiver for as long as the quality of that signal remains above some prescribed threshold. If and when the signal degrades, another antenna is switched in. Switching is the easiest and least power consuming of the antenna diversity processing techniques but periods of fading and desynchronization may occur while the quality of one antenna degrades and another antenna link is established. Selecting: As with switching, selection processing presents only one antenna's signal to the receiver at any given time. The antenna chosen, however, is based on the best signal to noise ratio (SNR) among the received signals. This requires that a pre measurement take place and that all antennas have established connections (at least during the SNR measurement) leading to a higher power requirement. The actual selection process can take place in between received packets of information. This ensures that a single antenna connection is maintained as much as possible. Switching can then take place on a packet by packet basis if necessary. Combining: In combining, all antennas maintain established connections at all times. The signals are then combined and presented to the receiver. Depending on the sophistication of the system, the signals can be added directly (equal gain combining) or weighted and added coherently (maximal ratio combining). Such a system provides the greatest resistance to fading but since all the receive paths must remain energized, it also consumes the most power. Dynamic Control: Dynamically controlled receivers are capable of choosing from the above processing schemes for whenever the situation arises. While much more complex, they optimize the power vs. performance trade off. Transitions between modes and/or antenna connections are signaled by a change in the perceived quality of the link. In situations of low fading, the receiver can employ no diversity and use the signal presented by a single antenna. As conditions degrade, the receiver can then assume the more highly reliable but power hungry modes described above.

Приложения

Хорошо известное практическое применение приема с разнообразием антенн – в беспроводных микрофонах и аналогичных электронных устройствах, таких как беспроводные гитарные системы. Беспроводной микрофон с приемником без разнообразия (приемник, имеющий только одну антенну) подвержен случайным пропаданиям сигнала, затуханиям, шумам или другим помехам, особенно если передатчик (беспроводной микрофон) находится в движении. Беспроводной микрофон или звуковая система, использующая прием с разнообразием антенн, переключится на другую антенну в течение микросекунд, если на одной из антенн возникнут помехи, обеспечивая сигнал улучшенного качества с меньшим количеством пропаданий и шумов. В идеале, в принятом сигнале не должно возникать пропаданий или шумов. Другое распространенное применение – в сетевом оборудовании Wi-Fi и беспроводных телефонах для компенсации многолучевых помех. Базовая станция переключает прием на одну из двух антенн в зависимости от того, какая из них в данный момент принимает более сильный сигнал. Для достижения наилучших результатов антенны обычно располагают на расстоянии, равном одной длине волны. Для микроволновых диапазонов, где длина волны менее 100 см, это часто можно реализовать с помощью двух антенн, подключенных к одному и тому же оборудованию. Для более низких частот и большей длины волн антенны должны быть расположены на расстоянии нескольких метров друг от друга, что менее практично. Вышки сотовой связи также часто используют преимущества приема с разнообразием антенн: каждая секторная антенна вышки обычно имеет две антенны – одна для передачи и приема, а другая – только для приема. Для реализации приема с разнообразием антенн используются два приемника. Использование нескольких антенн как для передачи, так и для приема приводит к созданию системы с множественным входом и множественным выходом (MIMO). Использование методов разнообразия антенн на обоих концах канала связи называется пространственно-временным кодированием.

Разнообразие антенн для MIMO

Кодирование каналов с использованием множественности – это методы пространственного кодирования для системы MIMO в беспроводных каналах связи. Беспроводные каналы сильно подвержены явлению замираний, что приводит к ненадежности при декодировании данных. В основе кодирования каналов с использованием множественности лежит передача нескольких копий сигнала через несколько передающих антенн, что повышает надежность приема данных. Если одна из копий не принята, для декодирования используются остальные. MIMO обеспечивает пространственное разнесение и пространственное мультиплексирование.